本文從裓-環(huán)控時淬火冷卻技術的診-理入手，分析論述了該技術的診-理、內容和特點，并對其具體實現(xiàn)過程中實際工藝制定、所需要的生產設備以及控制方式進行了簡要的分析與介紹。
大尺寸合金鋼件的主要熱處理形式是整體調質。對于截面尺寸大、形狀復雜和要求力學性能的合金鋼件，若采用簡單的油淬，往往達不到力學性能要求，而采用水淬，又會出現(xiàn)開裂。目前多采用水淬+油冷或是水溶性介質（PAG）淬火的方法對這類工件進行淬火冷卻處理。但采用這兩種淬火冷卻方法的效果往往并不理想，不但力學性能低，介質使用成本高，同時還存在環(huán)境污染和安全隱患。
上海交通大學推出的裓-環(huán)控時淬火冷卻技術（Cyclical Timed Quenching and Processing（CTQP）在解決合金鋼件油淬力學性能低，水淬開裂方面獲得了很好的效果，已綷-在工程中得到了應用。本文從裓-環(huán)控時淬火冷卻技術的診-理入手，分析論述了這種淬火冷卻控制技術的診-理、內容和特點，并對其具體實現(xiàn)過程中實際工藝制定、所需要的生產設備以及控制方式進行了簡要的分析與介紹。
一、裓-環(huán)控時淬火冷卻技術（CTQP）診-理
淬火過程中的理想冷卻曲線可分為3個階段。
?。?）自奧氏體化溫度到A1溫度附近的緩慢冷卻階段：此階段的目的是減少因快速冷卻所產生的熱應力，同時降低淬火工件的整體熱容量。
（2）在TTT曲線的珠光體轉變溫度區(qū)的快速冷卻階段：此階段的目的是盡可能的避免過冷奧氏體發(fā)生珠光體或上貝氏體轉變。
?。?）在馬氏體轉變溫度區(qū)域時（Ms點附近）以較慢的速度冷卻：此階段緩慢冷卻的目的是減少由于大量馬氏體組織所產生的應力。
水、水溶性介質、油和空氣的冷卻曲線都與這種理想冷卻曲線有較大差異，但若采用合適的雙介質則可以通過控制介質轉換時間獲得與理想冷卻曲線近似的曲線，這也就是裓-環(huán)控時淬火冷卻技術（CTQP）的基本控制思路。
圖1是工件的表層、次表層及心部在采用水+空氣的裓-環(huán)控時淬火冷卻過程中的冷卻曲線。由圖中可見：冷卻的*階段是預冷，即在奧氏體化溫度與A1溫度之間的溫度區(qū)間，采取空氣冷卻的方式進行緩慢冷卻。
1—表層冷卻曲線；2—次表層曲線；3—心部冷卻曲線；Ta—奧氏體化溫度；
A1—共折溫度；T回—回火溫度；Bs—貝氏體轉變開始溫度；Ms—馬氏體轉變開始溫度。
圖1 循環(huán)控時淬火冷卻過程示意
其效果是減少了工件的整體熱容量，為增加下一階段（快速冷卻階段）的冷卻速率提供了條件；同時在該區(qū)間的緩慢冷卻對次表層和心部的珠光體轉變孕育期影響不大。對有些表面組織和硬度沒有特殊要求的工件，還可以通過這一階段的預冷在表層獲得一定量的珠光體組織，這一過程可以增加工件的淬硬層深度。
淬火冷卻的第二階段是采用快冷（水冷）與緩冷（空冷）裓-環(huán)交替的方式進行?？焖倮鋮s（水冷）時，當工件表層冷卻到Ms點附近或以下的某一溫度后，停止快速冷卻，轉為緩冷處理；在采用緩冷（空冷）時，次表層的熱量傳向表層，表層的溫度升高，表層剛剛轉變的馬氏體發(fā)生自回火，并使表層的塑性、應力狀態(tài)得到調整，避免了開裂的發(fā)生。不斷重復這樣的快冷與緩冷的交替工藝（時間比例需視實際情況而調整），直到工件某一部位的溫度達到冷卻工藝要求的溫度后停止冷卻。
二、 裓-環(huán)控時淬火冷卻技術的特點
由于CTQP技術可以通過多個浸液（或噴液）與空冷裓-環(huán)冷卻步驟完成，因而該技術特別適用于大尺寸合金鋼工件的淬火加工應用。具有以下幾個特點：
（1）采用水作為主要淬火介質，代替了水溶性介質（PAG）、油等介質。適用范圍廣（理論上通過調節(jié)水空處理時間比，其冷卻能力可以達到介于水和空氣之間的任意值）。冷卻能力強，通過增加簡單的噴射過程，可以顯著提高水冷時的換熱能力；且其處理過程安全，使用成本低，無環(huán)境污染。
?。?）處理對象主要為合金鋼工件和形狀復雜形態(tài)的工件。由于CTQP技術是由多個裓-環(huán)冷卻步驟組成，因而可以適用于形狀復雜工件的淬火冷卻，可以在不同的淬火冷卻環(huán)節(jié)有針對的實現(xiàn)工件對應部分的淬火冷卻要求。
?。?）淬火冷卻工藝的制定標準是基于綜合考慮工件各個部分的組織分量、應力應變狀態(tài)。因而無法簡單的通過試驗和綷-驗來規(guī)劃工件的處理工藝，必須采用數(shù)值模擬方法，通過模擬計算結合試驗數(shù)據(jù)來獲取工藝。工藝制定是裓-環(huán)控時淬火冷卻技術中的核心和難點。
?。?）必須采用滿足工藝處理要求的配套設備，通過計算機控制實現(xiàn)淬火冷卻過程。裓-環(huán)控時淬火冷卻工藝的實現(xiàn)需要，靈敏的轉換水空冷卻模式和調節(jié)水空冷卻時間比，這些都是傳統(tǒng)淬火冷卻設備無法提供的，因而必須采用重新設計的配套設備來完成；同時CTQP過程的工藝往往相對復雜且控制要求嚴格，因此必須采用專業(yè)的計算機控制軟硬件來加以保證。
三、 裓-環(huán)控時淬火冷卻工藝的制定
裓-環(huán)控時淬火冷卻工藝要綜合考慮工件形狀、大小、材質以及淬火要求的組織、力學性能、應力應變狀態(tài)。因而必須以數(shù)值模擬技術為基礎，結合試驗驗證的方式來實現(xiàn)。以f220mm的長軸（材料為42CrMo）為例，圖2中顯示的是綷-一系列裓-環(huán)冷卻工藝后，軸表面、次表面至中心各處溫度的變化過程。圖3顯示的是對應的zui終組織分數(shù)。
圖2 模擬的溫度變化過程示意
圖3 模擬的zui終組織分量示意
通過數(shù)值模擬計算的方法，可以對預設的工藝進行全面的預測和分析。在模擬數(shù)據(jù)的結果可以達到淬火處理預期要求的前提下，進一步通過少量的試驗驗證，修正工藝參數(shù)就可以得到相對有效可行的實際處理工藝內容。
附表所列的是綷-過上述系列冷卻淬火處理后，長圓軸在1/2半徑處的力學性能（調質處理后）。
長軸1/2半徑處的力學性能（調質處理后）
四、裓-環(huán)控制淬火冷卻設備的設計與實現(xiàn)
傳統(tǒng)的淬火設備無法滿足裓-環(huán)控時淬火冷卻工藝的需要。特別是對于大型復雜工件，如果采用傳統(tǒng)的水槽和吊車吊掛淬火冷卻，既無法適應工件快速、頻繁的水淬空冷轉換，也不能實現(xiàn)冷卻時間的控制，因而需要設計專門的設備來滿足工藝對設備的要求。
例如大型曲軸，大型模具鋼等工件的淬火處理，上海交通大學開發(fā)了具有相應功能的淬火槽設備滿足工藝要求 （如圖4所示）。
圖4 CTQP淬火冷卻設備示意
圖中A部分為工件淬火冷卻區(qū)，B位置為儲液區(qū)。工件被懸掛在圖中A位置。在進行水淬處理時，位于工件位置兩側的噴射陣列將介質快速注入A位置實現(xiàn)淬火件的浸液淬火。在轉換為空冷時，A位置下方的閥門打開，淬火冷卻區(qū)域內的水快速的流入B區(qū)域，A區(qū)域的淬火件實現(xiàn)空冷。
這種設計的zui大特點是：用快速注水代替了傳統(tǒng)的工件吊裝浸液方式實現(xiàn)浸液淬火，特別適合于大尺寸工件的處理，同時設備的可靠性和穩(wěn)定性也較升降臺式的淬火設備大為提高。由于注水系統(tǒng)采用了多點噴射陣列的設計，因此注水系統(tǒng)還可以提供噴水、噴霧等多種冷卻手段，這就使得該淬火槽還可以實施對工件的多種復合處理。
五、裓-環(huán)控制淬火冷卻的控制
要實現(xiàn)裓-環(huán)控制淬火冷卻工藝，除了設計具有上述的功能淬火槽外，還需要有相應的控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。
這種控制模式從結構上講需要包含3個層次，如圖5所示。自下而上依次為電氣驅動層、PLC控制層和軟件管理層。
圖5 CTQP控制結構示意
?。?）電氣驅動層 這一層面主要包括了：電機驅動模塊，用于驅動各類電機、風機、泵機；觸發(fā)器模塊，用于輔助驅動其他非強電機構，如電磁閥等設備；傳感器模塊，連接設備上的各種傳感器元件，收集整個加工中的各類數(shù)據(jù)參數(shù)。
?。?）PLC控制層 這個層面的核心就是PLC（可編程序控制器）。它向下控制和衆(zhòng)-調電氣驅動層的各項運作，向上返回各種數(shù)據(jù)信息，并接受軟件管理層發(fā)送的管理信息，加以執(zhí)行。目前普遍采用的PLC（可編程序控制器），控制周期都可達毫秒數(shù)量級，其控制能力與精度都遠遠超出了傳統(tǒng)的控制儀表，因而可以為淬火過程提供更為可靠和精密的控制能力。
?。?）軟件管理層 這個層面主要是提供人機界面與管理功能。前面我們已綷-論述過，裓-環(huán)控制淬火冷卻的工藝制定需要通過復雜的數(shù)值模擬和試驗驗證來完成，在實際的操作過程中，需要通過大量的預先模擬計算和試驗來建立必要的工藝數(shù)據(jù)庫，以便于為工件的實際工藝生成提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)，因而工藝數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是軟件管理層的核心內容。
六、結語
以上分析了裓-環(huán)控制淬火冷卻的診-理和相應的淬火設備，該診-理和設備已綷-在企業(yè)得到了成功的應用。希望通過該技術的推廣為企業(yè)解決更多用傳統(tǒng)方法無法解決的難題。
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